工业以太网的高速公路隧道配电自动化系统研究

郝喜涛

摘 要：本文针对工業以太网基本内容和应用优势展开分析，通过研究数据采集系统、网络管理系统、信息控制系统、信息预警系统、人机交互系统等拟建要点，其目的在于提升隧道配电自动化系统应用效果，营造安全的隧道运行环境。

关键词：工业以太网;高速公路;配电自动化系统

在高速公路工程施工过程中，隧道工程属于施工难点之一，配电系统作为工程施工期间的附属项目，其工作稳定性也会影响隧道运行环境的安全性。在配电自动化系统基础上融入工业以太网技术，不仅可以提升系统运行过程的稳定性，而且能够提高信息传输时效性，提高公路隧道运行环境的安全性。

1 工业以太网相关内容概述

1.1 基本内容

工业以太网是基于IEEE 802.3（Ethernet）的强大的区域和单元网络，该技术的应用，提供了无缝集成到新多媒体世界的途径。从实际应用情况来看，该技术不仅应用在办公领域中，而且在生产领域、监控管理领域、生活领域中都得到了良好应用。从实际应用情况来看，工业以太网进行冗余网络构建时，主要包括STP及RSTP、环网冗余和主干冗余几种。以主干冗余为例，此类网络在应用中，会将不同类型交换机端口作为Trunking主干端口，以此来建立应用连接，实现数据信息的高速交互。

1.2 应用优势

基于现有应用经验，工业以太网在使用过程中具备以下应用优势：（1）应用广泛度高，以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言如Visual C+Java Visual Basic等都支持以太网的应用开发。（2）通信速率高，从目前应用情况来看，10 Mb/s、100 Mb/s的快速以太网已开始广泛应用，1 Gb/s以太网技术也逐渐成熟，而传统的现场总线最高速率只有12 Mb/s。显然，以太网的速率要比传统现场总线更快，能够满足工业控制网络不断增长的带宽要求。（3）资源共享能力强，随着Internet/Intranet的发展，网络上的用户已解除了资源地理位置上的束缚，在联入互联网的任何一台计算机上就能浏览工业控制现场的数据，实现“控管一体化”，可以满足更多情况下的管理需求。（4）发展潜力大，在机器人技术、智能技术、神经网络技术持续发展背景下，对于通信网络的带宽与性能提出了更高要求，而工业以太网的可拓展性和兼容性较强，可以满足这些技术的应用需求，具备很强的发展潜力。

2 高速公路隧道配电自动化系统拟建要点

2.1 数据采集系统

基于工业以太网来建立配电自动化网络时，可以对现有数据采集系统进行优化，提升信息采集速度与精准度。从系统应用情况来看，所需要采集的信号内容包括电压信号、电流信号、功率信号、频率信号、数字量信号等。工业以太网可以提供计算功能，在采集到数据信号后可以对其进行初步处理，如校验数据精准度、完整性、简单分类等，随后以数据包的形式，将其输送到控制系统中进行进一步分析。同时系统内也会设置识别模块，对于开关变位信号会进行优先传输，借此来提升配电系统调度过程的时效性。

2.2 网络管理系统

利用工业以太网也可以对网络管理系统进行优化，在交换机的选择中，需结合隧道工程配电情况进行选择，一般情况交换机上联需要预留至少两个100 Mbit/s的光纤接口，满足数据信息快速传递交互的基本需求。同时考虑到信息传输的兼容性问题，也需要设置10 Mbit/s和100 Mbit/s普通双绞线端口，此类端口在设计中都具备了较强的自适应功能，可以根据实际运行要求调整工作状态，确保接收数据包可以完整传输到控制系统当中。另外，在网络管理系统的设计过程中，还需要配备相应的服务电源，考虑隧道工作环境的基本情况，多采用24 V电源来服务网络管理系统，从而提升网络系统运行过程的安全性。

2.3 信息控制系统

2.3.1 现场级控制层

对于现场级控制层而言，其主要作用是对现场突发情况进行及时处理，避免系统故障负面影响范围的扩大。根据隧道工作环境的基本特点，在实际应用中，该控制层的搭建需要满足稳定性、便捷性等特点，而且也能够契合自动化系统运行要求和工业以太网管理要求，以提升系统运行过程的安全性。通常情况下，在系统设计中会使用到综合数字继电器，搭配MODBUS现场总线实现数据信息的快速传输。同时在系统中也会安装智能控制设备，如温度控制装置、UPS电源控制装置、湿度监测装置等，借此来提升现场控制管理过程的稳定性，满足相应的管理需求。

2.3.2 子站级控制层

对于子站级控制层而言，其主要作用是对隧道配电系统运行状态进行实时监测，得到对应反馈数据后也可以及时作出系统运行情况的动态调整，以维持配电系统工作状态的稳定性。在实际应用中，该控制层的搭建也需要满足自动化、灵活性等要求，而且也需要具备强大的数据处理能力，可以完成自动化测量、自动化调控、自动化预警、信息统计等工作，从而提升系统工作状态的稳定性。从组成情况来看，系统的主要硬件以高性能工控机为主，搭配Windows系列操作系统、集成化控制软件，实现现场运行管理的动态监测，以提升系统工作状态的稳定性与可靠性[1]。

2.3.3 主站级控制层

对于主站级控制层而言，其主要作用是对隧道配电系统整体运行情况进行远程监测，在获取到子站传输的应用信息后，会对其进行综合处理，根据处理结果来下达调控指令，从而维持配电系统工作状态的安全性。在实际应用中，该控制层需要具备强大的数据处理能力，能够在短时间内完成信息处理，得到准确的评估结果，从而维护系统运行状态的高效性。从组成情况来看，系统的主要硬件也是以高性能工控机为主，搭配Windows系列操作系统、INT- SCADA系列软件，满足系统运行过程的实时监测，提高系统工作过程的稳定性[2]。

2.4 信息预警系统

隧道配电自动化系统在工作过程中，受到设备运行因素、环境因素、突发事件（如车辆撞击、爆炸等）的影响，会导致系统出现运行异常的情况。对此，基于以太网技术也可以建立智能预警系统，对于突发问题进行及时预警，缩减故障检修时间，维持隧道工作环境安全性。通常情况下，系统所需要识别的预警信号包括开关异常、断路器运行异常、过载电流、过载电压信号等，这也利用到以太网技术的兼容性和拓展性，从而提升预警内容的合理性[3]。

2.5 人机交互系统

除上述应用系统外，工业以太网技术在人机交互系统中也有着良好的应用价值。利用SCADA系统的兼容性，可以根据实际需求来生成各种类型的交互页面，如系统结构图、操作过程图、反馈结果图等。同时交互界面上还会设置应用目录，不同权限人员所能访问的目录存在差异，借此来提高交互系统工作过程的高效性，减少人为因素带来的干扰性。

3 结束语

综上所述，工业以太网技术拥有较多的应用优势，将工业以太网技术应用到隧道配电自动化系统设计中，一方面，可以对系统功能进行拓展，提高其兼容性，另一方面，能够提高系统反应灵敏性，营造良好的隧道运行环境。

参考文献：

[1]葛颖丰，贝斌斌，陈徐，等.继电保护与配电自动化配合的配电网故障处理研究[J].现代工业经济和信息化，2021，11（3）：80-81.

[2]孙暄，何婕，李响.适用于公用网络通信的电力自动化终端信息交换数据加密设计[J].电子世界，2020（4）：126-127.

[3]周晓.配电自动化系统在高速公路10 kV中压电网中的应用探讨[J].四川水泥，2020（1）：151.